THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 6245,5 Kg.h1, NỒNG ĐỘ ĐẦU 10%, NỒNG ĐỘ CUỐI 30%.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC, NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 6245,5 Kg h 1, NỒNG ĐỘ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC

DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC,

NỒNG ĐỘ ĐẦU 10%, NỒNG ĐỘ CUỐI 30%.

Ngành: CN Kỹ thuật hóa học - Khóa 44

Tháng 09/2022

DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC,

NỒNG ĐỘ ĐẦU 10%, NỒNG ĐỘ CUỐI 30%.

Ngành: CN Kỹ thuật hóa học - Khóa 44

Tháng 09/2022

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Đồ - B1809013

Lớp: Công nghệ kỹ thuật hóa học A2 – K44

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

1/ Tên đề tài

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục năng suất nhập liệu6245,5 Kg/h, nồng độ đầu 10 %, nồng độ cuối 30 %

2/ Các số liệu ban đầu

Nguyên liệu: dung dịch NaOH

Nồng độ nhập liệu: Xđ = 10 %

Nồng độ sản phẩm: Xc = 30 %

Áp suất hơi thứ: Pht = 0,6 at

Áp suất hơi đốt: Phđ = 4 at

về đề tài và nhờ đó đã giúp em tìm ra được hướng đi đúng cho đề tài của mình cũngnhư dành lời cảm ơn đến các anh chị, bạn bè, đã luôn quan tâm, giúp đỡ em rất nhiềutrong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ án Quá trình và Thiết bị

Trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhậnđược những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn đọc để kiến thứccủa em được hoàn thiện hơn Cuối cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô Bộ môn Côngnghệ Hóa học nói riêng và quý Thầy Cô trường Đại học Cần Thơ nói chung, luôn dồidào sức khỏe và luôn thành công trong công việc và trong cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

Đại học Cần Thơ, ngày xx tháng 09 năm 2022

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đồ - B1809013

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC BẢNG ii

TÓM TẮT ii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình sản xuất NaOH trên thế giới 1

1.2 Tổng quan về NaOH 1

1.2.1 Giới thiệu NaOH 1

1.2.2 Các phương pháp sản xuất NaOH [1] 2

1.3 Tổng quan về cô đặc 3

1.3.1 Định nghĩa 3

1.3.2 Phương pháp cô đặc [2] 3

1.3.3 Phân loại thiết bị cô đặc [2] 4

1.3.3.1 Theo cấu tạo 4

1.3.3.2 Theo phương thức thực hiện quá trình 4

1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 5

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH ĐỀ TÀI 6

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 6

2.2 Thuyết minh đề tài 6

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 8 3.1 Cân bằng vật chất 8

3.2 Cân bằng năng lượng 8

3.2.1 Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc 8

3.2.2 Xác định lượng nhiệt tổn thất 8

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng 10

3.2.4 Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống: 11

CHƯƠNG 4 THIẾT BỊ CHÍNH 13

4.1 Tính toán bề mặt truyền nhiệt 13

4.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ 1 13

4.1.3 Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng sôi 14

4.1.4 Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sôi 15

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt 16

4.2 Buồng đốt và buồng bốc 16

4.2.1 Kích thước buồng đốt 16

4.2.2 Kích thước buồng bốc 19

4.3 Một số kích thước của buồng đốt và bốc 20

4.4 Kích thước các ống dẫn 20

4.4.1 Ống nhập liệu vào nồi cô đặc 20

4.4.2 Ống tháo liệu ra khỏi nồi cô đặc 21

4.4.3 Ống dẫn hơi đốt 21

4.4.4 Ống dẫn hơi thứ 21

4.4.5 Ống dẫn nước ngưng 21

4.4.6 Ống dẫn khí không ngưng 22

CHƯƠNG 5 TÍNH BỀN CƠ KHÍ 23

5.1 Tính bền cơ khí buồng đốt 23

5.1.1 Sơ lược cấu tạo 23

5.1.2 Bề dày buồng đốt tối thiểu 23

5.2 Tính cho buồng bốc 25

5.2.1 Sơ lược về cấu tạo 25

5.2.2 Tính toán 25

5.3 Tính đáy và nắp cho thiết bị 28

5.3.1 Tính đáy buồng đốt 28

5.3.2 Tính nắp buồng bốc 32

5.4 Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt 33

5.5 Lựa chọn mặt bích 34

5.5.1 Sơ lược về cấu tạo 34

5.5.2 Chọn mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt 34

5.5.3 Chọn mặt bích nối đáy và buồng đốt 35

5.5.4 Chọn mặt bích nối nắp và buồng bốc 35

5.6 Tính vỉ ống 37

5.6.1 Sơ lược cấu tạo 37

5.6.2 Tính vỉ ống trên buồng đốt 37

5.6.3 Tính vỉ ống phía dưới buồng đốt 38

5.7 Tính khối lượng 39

5.7.1 Khối lượng buồng đốt 40

5.7.2 Khối lượng buồng bốc 40

5.7.3 Khối lượng phần nón cụt 40

5.7.4 Khối lượng đáy nón 41

5.7.5 Khối lượng nắp ellipse 41

5.7.6 Khối lượng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm 42

5.7.7 Khối lượng mặt bích 42

5.7.8 Khối lượng vỉ ống 42

5.7.9 Khối lượng bulong, đai ốc 43

5.7.10 Khối lượng dung dịch chứa đầy trong thiết bị 45

5.8 Tai treo 45

5.9 Kính quan sát và cửa sửa chữa 46

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 47

6.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 47

6.1.1 Sơ lược về thiết bị ngưng tụ baromet 47

6.1.2 Lượng nước tưới vào thiết bị 47

6.1.3 Lưu lượng không khí và khí ngưng cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 48 6.1.4 Thể tích không khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ 48

6.1.5 Các kích thước của thiết bị ngưng tụ baromet 48

6.1.5.1 Đường kính của thiết bị ngưng tụ D t-b 48

6.1.5.2 Kích thước tấm ngăn 49

6.1.5.3 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ 49

6.1.5.4 Kích thước ống baromet 50

6.1.5.5 Chiều cao ống baromet 50

6.1.6 Bơm 52

6.1.6.1 Bơm chân không 52

6.1.6.2 Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 52

6.1.6.3 Bơm đưa dung dịch ban đầu lên bồn cao vị 55

6.2 Tính bề dày lớp bọc cách nhiệt 60

6.2.1 Bề dày cách nhiệt cho buồng bốc và nắp thiết bị 60

6.2.2 Bề dày cách nhiệt cho buồng đốt 60

6.2.3 Bề dày cách nhiệt cho đáy thiết bị 61

CHƯƠNG 7 TÍNH KINH TẾ 62

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

NHẬN XÉT CỦA CÁC BỘ HƯỚNG DẤN 66

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1 Sơ đồ quy trình công nghệ 6

TÓM TẮT

Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp có liên quan đến hóa chất như: sản xuấtdược phẩm, công nghiệp dệt và nhuộm màu, sản xuất giấy, chế biến thực phẩm, chấtgiặt tẩy, dầu khí… đều có mặt NaOH, do đó ta có thể mườn tượng được ứng dụng củaNaOH trong đời sống thực tiển nó rộng lớn và quan trọng thế nào Tuy nhiên, dưới gócnhìn của doanh nghiệp thì số lượng phải luôn đi kèm với chất lượng, nên vấn đề đặc ra

là làm thế nào để thu được NaOH có nồng độ cao và tinh khiết với chất lượng tốt nhất

Giải pháp đưa ra là áp dụng phương pháp cô đặc, một trong nhưng phương pháp được

sử dụng phổ biến để nâng cao nồng độ

Và đây cũng là đề tài mà em thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặcmột nồi, liên tục, ngược chiều, bằng thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàntrung tâm Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Thuyết minh đề tài

 Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng

 Chương 4: Tính toán thiết bị chính

 Chương 5: Tính toán cơ khí

 Chương 6: Tính toán thiết bị phụ

 Chương 7: Tính kinh tế

 Chương 8: Kết luận

Nhiệm vụ của đồ án này là tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, ngượcchiều, liên tục, có ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục để cô đặc dung dịchNaOH từ nồng độ 10% lên 30%, công suất nhập liệu 6245,5 kg.h−1 Đồ án này được

thực hiện dưới sự hướng dẫn và hỗ trợ hết sức nhiệt tình của PGS.TS Đặng Huỳnh

Giao Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị - CNHH là một đề tài lớn đầu tiên mà em đảm

nhận và do những kiến thức còn hạn chế của bản thân nên em không tránh khỏi nhữngthiếu sót và hạn chế Do đó, em rất mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý tận tình từphía các thầy cô để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3-1 Tổng hợp các thông số đã tính 12

Bảng 4-1 Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng Tm trang 28 [3] 13

Bảng 4-2 Các thông số của nước và dung dịch NaOH 15

Bảng 4-3 Tổng hợp các thông số đã tính của bề mặt truyền nhiệt 16

Bảng 4-4 Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều 18

Bảng 4-5 Các thông số đường kính và chiều cao buồng bốc 19

Bảng 5-1 Mặt bích giữa buồng bốc và buồng đốt 34

Bảng 5-2 Mặt bích giữa đáy và buồng đốt 35

Bảng 5-3 Mặt bích giữa buồng bốc và nắp 35

Bảng 5-4 Mặt bích giữa các ống dẫn 36

Bảng 5-5 Khối lượng của các bộ phận trong thiết bị 44

Bảng 5-6 Thông số của tai treo 45

Bảng 5-7 Tấm lót tai treo 45

Bảng 7-1 Giá thành của các bộ phận trong hệ thống 62

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất NaOH trên thế giới

Trên thế giới, hằng năm có khoảng 45-50 triệu tấn Natri hidroxit được sản xuất.Trong đó, 16% (7-8 triệu tấn) được buôn bán trên thị trường, chủ yếu là xút sản xuất ởHoa Kỳ và châu Âu (chiếm 80% thị trường) còn các nước Cuba, Algeria và châu Phivẫn là những thị trường tiêu thụ chính đối với xút rắn Khoảng 94% xút được buôn bán

ở dạng lỏng (thường là 50% natri hidroxit), trong đó gần 2 triệu tấn được vận chuyểnbằng đường bộ Giá xút rắn thường cao hơn giá xút lỏng (tính theo dạng khô) có giá từ100-200 USD/tấn Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là ở các nước đang phát triển do

cơ sở hạ tầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng

Ở châu Á, Indonesia là nước duy nhất còn nhập xút rắn với khối lượng lớn, cònvới thị trường lớn như Trung Quốc do có cơ sở hạ tầng đang ngày càng được phát triểnnên họ đang hướng đến giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút lỏng Do giá xútrắn cao nên khối lượng buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000 tấn/năm

và đang giảm với tốc độ 8% năm Xút lỏng được buôn bán trên thế giới chủ yếu phục

vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước trong đó ở khu vực châu Á đáng

kể nhất là Úc

Ở Việt Nam, sản xuất Natri hidroxit là một trong những ngành công nghiệp hóachất quan trọng bậc nhất Nó góp phần to lớn trong sự phát triển của các ngành côngnghiệp khác như sản xuất xà phòng, công nghệ giấy; công nghiệp lọc dầu; công nghệdệt nhuộm, thực phẩm; xử lý nước; sản xuất các loại hóa chất đi từ xút như natrisilicat, chất trợ lắng PAC,

1.2 Tổng quan về NaOH

1.2.1 Giới thiệu NaOH

Natri hydroxide hay thường gọi là xút hoặc xút ăn da là hợp chất vô cơ, tạo thànhmột dung dịch base mạnh khi hòa tan trong dung môi là nước Nó được sử dụng nhiềutrong công nghiệp giấy, luyện nhôm, dệt nhuộm, xà phòng

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất

cơ bản và lâu năm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành côngnghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn

Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tácdụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháphiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thuđược thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để

Chương 1: Tổng quan PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến mộtnồng độ nhất định theo yêu cầu

Các tính chất vật lý cơ bản của NaOH [1]

 Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt, hoặc dạng bột màu trắng

 Phân tử lượng: 39,9997 g.mol−1

Các tính chất hóa học của NaOH [1]

phenolphtalein hóa hồng

NaOH(dung dịch) + HCl(dung dịch) → NaCl(dung dịch) + H2O

 Phản ứng với các oxide acid: CO2, SO2

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 → NaHCO3

2NaOH + CuCl2 → 2NaCl + Cu(OH)2↓

 Phản ứng với các acid hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este

NaOH tác dụng được với acid, oxyde acid, một số dung dịch muối tạo thành basekhông tan, có khả năng tác dụng với các hợp chất lưỡng tính hoặc hòa tan được kimloại và oxyde của chúng lưỡng tính

1.2.2 Các phương pháp sản xuất NaOH [1]

Sản xuất NaOH chủ yếu là dựa trên phản ứng điện phân dung dịch NaCl bão hòa.Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành Clo nguyên tố

(trong buồng anot), dung dịch natri hydroxide, và hydro nguyên tố (trong buồng catot).Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:

2Na+ + 2H2O + 2e− → H2↑ + 2NaOH

Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑

Sơ đồ điện phân dung dịch NaOH có màng ngăn

Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăn cản không chonatri hydroxide và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết

- Buồng điện phân kiểu thủy ngân: Trong buồng điện phân kiểu thủy ngân thìkhông sử dụng màng ngăn hoặc màn chắn mà sử dụng thủy ngân như một phương tiệnchia tách Tuy nhiên, công nghệ này hiện nay đang bị cấm dần vì sử dụng một lượnglớn thủy ngân, một kim loại rất độc hại

- Buồng điện phân kiểu màng chắn: Trong buồng điện phân kiểu màng chắn,nước muối từ khoang anot chảy qua màng chia tách để đến khoang catot; vật liệu làmmàng chia tách là amian phủ trên catot có nhiều lỗ

Không nhất thiết màng chắn phải là amian, nếu điều chế ở quy mô phòng thínghiệm có thể thay thế nó bằng miếng giấy A4 hơ trên hơi sáp paraphin (hoặc không

hơ sáp cũng có thể được nhưng hiệu quả kém hơn) Nếu thực hiện đúng cách miếnggiấy sẽ chỉ cho nước và một số ion đi qua, các phần tử bọt khí sẽ bị giữ lại, nhờ đó clokhông khuếch tán sang và không tác dụng được với natri hydroxide Tuy nhiên phảiđảm bảo cân bằng nồng độ chất tan hai bên màng, nếu không thì không phải clo sẽkhuếch tán mà chính natri hydroxide sẽ khuếch tán qua màng và tác dụng với clo Cóthể ngăn cản sự khuếch tán của natri hydroxide bằng cách cung cấp thật nhiều natrichloride vào bể điện phân ở nửa có điện cực giải phòng khí clo, natri chloride vừa cân

Chương 1: Tổng quan PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

bằng nồng độ ion và vừa tạo ra một lượng lớn anion Cl− có tác dụng cản trở sự hòa tanmang tính vật lý của clo vào nước

Còn cách khác để tạo một màng ngăn, chúng ta có thể dùng loại giấy tạp chí dày(loại này là giấy phủ cao lanh hay còn gọi là dioxide silic Loại này có tính chất ưu việtnhất nhưng cần phải ngâm nước một thời gian cho nước thấm vào thì các ion mới điqua được

- Buồng điện phân kiểu màng ngăn: Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngănthì màng chia tách là một màng trao đổi ion

1.3 Tổng quan về cô đặc

1.3.1 Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dungdịch gồm 2 hai nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng –lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phầndung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý Tuỳ theo tínhchất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách mộtphần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặcphương pháp làm lạnh kết tinh [2]

1.3.2 Phương pháp cô đặc [2]

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏngsang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suấttác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử

sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi đểtăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặtthoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân

tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt

để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấpnhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bản chất của cô đặc: Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khíhình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượngriêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi côđặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

1.3.3 Phân loại thiết bị cô đặc [2]

1.3.3.1 Theo cấu tạo

- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặcnhóm này có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễdàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặcngoài

Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị côđặc nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặttruyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho cácdung dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.Bao gồm:

Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

-Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉcho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược)

để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch Đặcbiệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép

1.3.3.2 Theo phương thức thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi;thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định,nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chânkhông Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quálớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lựchay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác

để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điềukhiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với mỗi nhóm thiết bị, tađều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn

Chương 1: Tổng quan PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc

ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

1.3.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

- Thiết bị chính:

 Ống nhập liệu, ống tháo liệu

 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ baromet

 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

 Bơm tháo liệu

 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

 Bơm chân không

 Các van

 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

CHƯƠNG 2 THUYẾT MINH ĐỀ TÀI

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 2-1 Sơ đồ quy trình công nghệ

7 Bơm sản phẩm

2.2 Thuyết minh đề tài

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10% Dung dịch từ bể chứanguyên liệu được bơm lên bồn cao vị nhờ bơm ly tâm Từ bồn cao vị, dung dịch sẽ tựchảy vào thiết bị cô đặc được điều chỉnh lưu lượng bởi lưu lượng kế

Phần dưới của thiết bị cô đặc là buồng đốt, gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuầnhoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong

Chương 2: Thuyết minh đề tài PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

khoảng không gian ngoài ống Dung dịch trong nồi cô đặc được làm sôi bởi hệ thốngcác ống truyền nhiệt (ống chùm) được gia nhiệt bởi hơi nước ở áp suất 3 at Dung dịchđược tuần hoàn tự nhiên nhờ hệ thống các ống chùm và ống tuần hoàn trung tâm dựatrên nguyên tắc: dung dịch sẽ dịch chuyển từ dưới lên trên trong ống truyền nhiệt và từtrên xuống dưới trong ống tuần hoàn trung tâm, do khi thiết bị làm việc, dung dịchtrong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và

bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, do thể tích dung dịch theomột đơn vị bề mặt truyền nhiệt nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượnghơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợplỏng – hơi ở ống tuần hoàn trung tâm lớn hơn so với ống truyền nhiệt và hỗn hợp đượcđẩy xuống dưới, kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từdưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn trung tâm

Trong quá trình hoạt động, đôi khi có sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suát thì hơinước được ngưng tụ trong buồng đốt theo ống dẫn nước ngưng được dẫn ra ngoàithông qua bẫy hơi Phần phía trên thiết bị là buồng bốc của nồi cô đặc, tại đây sẽ xảy

ra quá trình sôi sủi bọt dưới áp suất chân không được tạo ra từ bơm chân không Hơithứ bốc lên mang theo nhưng giọt nước đi qua thiết bị tách bọt, tại đây giọt nước sẽ bị

vỡ ra nhờ các lỗ được bố trí ở thiết bị tách bọt tuần hoàn xuống phía dưới và hơi thứtheo đường ống vào thiết bị ngưng tụ, hơi thứ sẽ đi từ dưới lên trên, nước làm mát đi

từ trên xuống dưới, ở đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng giữa nước làmmát và hơi thứ, nước ngưng hòa vào dòng nước chảy xuống phía dưới ống barometvào bồn chứa nước ngưng, khí không ngưng sẽ được đi qua thiết bị tách lỏng để táchmột lần nữa trước khi đi qua bơm chân không

Dung dịch sau cô đặc được đưa ra ngoài vào bồn chứa sản phẩm tạm thời sau đódùng bơm và bơm vào bồn chứa sản phẩm chính Sản phẩm cô đặc được kiểm trathường xuyên để đảm bảo tính chất và nồng độ đạt yêu cầu là 30%

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG

3.1 Cân bằng vật chất

Nồng độ đầu của dung dịch Xđ = 10%

Nồng độ cuối của dung dịch Xc = 30%

Lượng dung dịch ban đầu Gđ = 6245,5 kg.h-1

Lượng dung dịch cuối

kg.h-1

Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống theo công thức [III-1] tr 105] [3]

kg.h-1

3.2 Cân bằng năng lượng

3.2.1 Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc

Áp suất hơi đốt: Phđ = 4 at (chọn)

→ Nhiệt độ hơi đốt: thđ = 142,9 ℃ [bảng I.251, tr314][4]

Áp suất hơi thứ trong thiết bị: Pht = 0,6 at (chọn)

→ Nhiệt độ hơi thứ: tht = 85,5 ℃ [bảng I.251, tr314][4]

Tổn thất nhiệt do sức cản thủy lực trong đường ống:

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg

’0: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường, 0C (tra ở Xc và tht)

’: tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao, 0C

Po: áp suất hơi thứ (trên bề mặt dung dịch), N/m2

P: áp suất thủy tĩnh kể từ mặt dung dịch đến giữa ống, N/m2

 : khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

s: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3

g : gia tốc trọng trường, m/s2

Hop: chiều cao của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng, m

Giả thiết tsdd(po+ Δp) = 104 oC tại C% = xc = 30 %,

Ta có ρdd = 1273,29 kg/m3 [tra bảng I.23 tr 35][1]

⇒ ρs = 0,5×1273,29 = 636,645 kg/m3

Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd – ρdm)].ho

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 3,0 m [tra bảng VI.6 tr 80] [2]

Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 104 oC

Sai số 0,30% được chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 104 oC

Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống ’’’ = 1 0C do thườngchấp nhận tổn thất nhiệt độ trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( i D" - cθ); W

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá

lạnh sau khi ngưng) thì ( i D" - cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

CHƯƠNG 4 THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Tính toán bề mặt truyền nhiệt

4.1.1 Thông số cần tính toán và lựa chọn

t1 là nhiệt độ sôi hơi đốt: t1 = thđ = 142,9 oC

t2 là nhiệt độ sôi của dung dịch: t2 = tsdd = 104 oC

tv1, tv2 lần lượt là nhiệt độ vách ngoài và vách trong của ống truyền nhiệt

∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước ngưng tụ và vách ngoài ống truyền nhiệt: Giả thuyết chọn ∆t1 = 3 oC

tv1 = t1 - ∆t1 = 142,9 – 3 = 139,9 oC

tm là nhiệt độ màng nước ngưng tụ trên vách ngoài ống truyền nhiệt:

Bảng 4-2 Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng Tm trang 28 [5]

r là ẩn nhiệt hóa hơi ngưng tụ của hơi đốt: r = 2141000 J.kg-1

H là chiều cao ống truyền nhiệt: H = 3 m

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị:

q1 = 1.t1 = 8749,743 × 3 = 26249,229 (W.m-2)

Chương 4: Thiết bị chính PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

4.1.3 Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng sôi

α2=α n ψ, W/m2.độ [CT VI.27, tr 71] [5]

Trong đó:

α n: hệ số cấp nhiệt khi nước sôi sủi bọt, W/m2.độ

ψ : hệ số hiệu chỉnh của dung dịch [CT VI.27, tr 71] [5]

ρ (kg.m -3 )

C (J.kg -1 độ -1 )

µ (Pa.s)

M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O

M = a.MNaOH + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol

Giả sử nồng độ cuối của NaOH trong dung dịch là 30% thì:

⇒ M = 0,16167.40 + (1-0,16167).18 = 21,5568 kg/mol

  = 24455,173 ×0,182=4450,841 (W.m-1.độ-1)

Chương 4: Thiết bị chính PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

4.1.4 Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sôi

Với tm = 141,09 tra bảng trang 29 [2] ta được A = 194,1635

Nhiệt tải phía hơi ngưng

=790,716

4.1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt

F= Q K Δt

hi= 2608347,65790,716 × 38,95=84,691 (m2)

Bảng 4-4 Tổng hợp các thông số đã tính của bề mặt truyền nhiệt

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị (q1) W.m-2 30297,102

d: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; dn = 32x2 mm , dtr = 28 mm

l: chiều cao của ống truyền nhiệt; l = 3 m

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; F = 84,691 m2

Chương 4: Thiết bị chính PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

Tiết diện ngang của ống tuần hoàn trung tâm chọn bằng 30% tổng tiết diện cắt

[5]

m2 → Dth = 0,267 m

Quy chuẩn bảng XIII.26 [2] → Dth = 0,325 m = 325 mm

Kiểm tra lại điều kiện:

Sin 60o: Do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát nhau tạo thành một tam giác đều có góc α = 60o

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt 84,691 m2

Vậy đường kính trong của buồng đốt được tính bằng công thức

D t=√0,4β2.sin60o F d n

ψ l +(dth+2βd n)2

= √0,4×1,42×sin 600× 84,691× 0,032

0,8× 3 +(0,329+2×1,4 ×0,032)2=0,971 m

Quy chuẩn theo [bảng XIII.6][2] → Dt = 1 m

Phân bố 301 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như bảng sau:

Bảng 4-5 Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều

Số ống trong các hình viên phân

Cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần

hoàn trung tâm Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức [CT V.140, tr49][5]

Chương 4: Thiết bị chính PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

Với b là số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh đều tính theo công thức sau:

Vkgh: Thể tích không gian hơi ; m3

ρ: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc, ρ = 0,3743 kg/m3

W: Lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị, W = 4163,67 kg/h

Utt: Cường độ bốc hơi thể tích cho phép của không gian hơi (thể tích hơi bốc trên một đơn vị thể tích của khoảng không gian hơi trong một đơn vị) ; m3/m3.h

Cường độ bốc hơi phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch và áp xuất hơi thứ Ở điều kiện áp xuất P = 1 at tra hình VI.3[2-72] ta được Utt (1at)= 1700 m3/m3.h

Khi P ≠ 1 at thì Utt = f Utt (1at) [CT VI.33 tr 72][2]

Với f là hệ số hiệu chỉnh Tra hình [VI.3 tr 72][2] có f = 1,3

d: đường kính trong của ống (m)

V: lưu lượng dung dịch đi trong ống (m3.s-1)

: vận tốc thích hợp dung dịch đi trong ống (kg.s-1)

G: lượng dung dịch đi trong ống (kg.s-1)

: khối lượng riêng của dung dịch (kg.m-3)

Vận tốc dòng chảy thường chọn như sau:

Chất lỏng ít nhớt  = 1  2 m.s-1

Chất lỏng nhớt  = 0,5  1 m.s-1

Khi ở áp suất thường hoặc xấp xỉ áp suất thường  = 10  20 m.s-1

Hơi nước bão hòa  = 20  40 m.s-1

Hơi quá nhiệt  = 30  50 m.s-1

Nhiệt độ của dung dịch NaOH 10%:

Chương 4: Thiết bị chính PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

4.3.3 Ống dẫn hơi đốt

Lưu lượng G = 1,1403 kg.s-1

Khối lượng riêng ρ = 0,4718 kg.m-3 ( tra ở áp suất 4 at ) [bảng I.251, tr314][4]

Chọn  = 25 m.s-1 (do là hơi bão hòa)

d=√4 G

π =√ 4.1,1403

π.0,4718 25=0,35mChọn dt = 0,35 m, dn = 0,377 m [tr409][5]

Chương 5: Tính bền cơ khí PGS.TS Đặng Huỳnh Giao

Dt : Đường kính trong của thiết bị (m) Dt = 1000 mm = 1 m

φ: Hệ số bền của thân trụ theo phương dọc, φ= 0,95 tra bảng VIII.8[2-262]

P: Áp suất trong của thiết bị (N/m2)

[σ]: Ứng suất cho phép

C: Hệ số ăn mòn và dung sai về chiều dày (m)

 C1: Bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Chọn C1 = 1 mm

 C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn C2 chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị Chọn C2 = 0

 C3: Đại lượng bổ sung do dung sai chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu Tra bảng XIII.9 [2-364] có C3 = 0,40 m

→ C = 1,40 mm

 Ứng suất cho phép khi kéo:

σk giới hạn bền khi kéo [Tra bảng XII.4 tr 310] [2] với thép dày từ 4 – 20 mm

→ σk = 550 104 N/m2

 Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:

Trong đó:

σc = 220 104 N/m2 (Tra bảng XII.4 [2-304] với thép dày từ 4 – 20 mm)

η: Hệ số hiệ chỉnh η = 0,9 (tra bảng XII.2[2-356] chọn thiết bị loại I)

nb, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền và giới hạn chảy